Kolektory słoneczne, pompy ciepła – razem czy osobno?

energie odnawialne
Jacek Płoszaj, Przemysław Bednarek
Kolektory słoneczne, pompy ciepła
– razem czy osobno?
Analizując dynamikę zmiany cen nośników energii, można zauważyć, że utrzymanie komfortu cieplnego staje się coraz
bardziej znaczącym wydatkiem gospodarstw domowych. Zmusza to użytkowników do stosowania bardziej efektywnych energetycznie rozwiązań systemów
grzewczych. Dotyczyć to powinno z jednej
strony samej konstrukcji budynku ograniczającej do minimum straty ciepła,
z drugiej kontroli i regulacji wentylacji
pomieszczeń ze szczególnym naciskiem
na odzysk ciepła, a także stosowania
nowoczesnych instalacji grzewczych i źródeł ciepła.
Każdy budynek dla swego funkcjonowania
potrzebuje energii w różnej formie – energii
elektrycznej oraz energii cieplnej. Standardowy
ocieplony dom o powierzchni 200 m2 zamieszkały przez 4-osobową rodzinę rocznie zużywa
średnio około 21,5 MWh (77,4 GJ) energii cieplnej, z czego 75% przypada na potrzeby ogrzewania (straty ciepła przez przenikanie, wentylacja) a pozostała część na przygotowanie ciepłej
wody użytkowej (ok. 88 m3).
Najbardziej popularnymi systemami grzewczymi w budownictwie mieszkaniowym pozostają wodne instalacje grzewcze. Ze względów
energetycznych najbardziej uzasadnione jest
stosowanie układów charakteryzujących się
minimalnymi stratami ciepła na przesyle oraz
wykorzystujących techniki kondensacyjne,
a także pomp ciepła, w których wykorzystywany jest transfer energii z niższego na wyższy poziom energetyczny poprzez przemiany
fazowe czynnika roboczego. Niewątpliwą zaletą pomp ciepła jest to, że można zastosować
je zarówno jako źródło ciepła, jak i chłodu.
Specyfika pomp ciepła
Ze względu na rodzaj czynnika w dolnym i górnym źródle ciepła można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje pomp ciepła stosowanych
w systemach grzewczych:
– powietrze-woda,
– glikol-woda.
Jednym z głównych parametrów charakteryzujących pompy ciepła jest współczynnik
sprawności energetycznej COP, określany jako
stosunek mocy grzewczej/chłodniczej do mocy
pobranej przez urządzenie. Zwykle jako moc
pobraną przyjmuje się tylko moc sprężarki,
ale bardziej metodycznym podejściem jest
uwzględnienie w obliczeniach współczynnika
COP również innych integralnych elementów
pompy ciepła, np. pomp obiegowych czy automatyki.
Układ ma większą sprawność energetyczną
(wyższą wartość współczynnika COP), gdy
różnica temperatury pomiędzy dolnym źródłem ciepła (powietrze, woda z odwiertów
otwartych, glikol z wymienników gruntowych)
a górnym (media systemu grzewczego) jest jak
najmniejsza.
Przy ogrzewaniu niskotemperaturowym,
np. podłogowym lub ściennym o parametrach
maks. 35/30ºC, średnioroczne COP pompy ciepła typu powietrze-woda dochodzi do warto­ści
3, a pompy typu woda-woda do wartości 4-4,5.
Jest to związane ze średnią temperaturą dolnego źródła ciepła podczas sezonu grzewczego –
temperatura ta dla powietrza wynosi około 2ºC,
a dla gruntu w granicach od 5 do 8ºC. Wartość
temperatury gruntu w odniesieniu do powietrza jest zresztą bardziej stabilna i podlega
małym wahaniom w ciągu roku.
Górna granica temperatury zasilania standardowych pomp ciepła wynosi 55ºC, co jest
zdeterminowane m.in. właściwościami czynnika roboczego oraz osiąganiem maksymalnych
wartości współczynnika COP. Wraz ze wzrostem temperatury zasilania maleje współczynnik sprawności COP pompy. Po przekroczeniu
maksymalnej temperatury zasilania ogrzewanie
w tym przypadku staje się po prostu nieopłacalne. Dopiero technicznie poprawne skonfigurowanie układu ogrzewania pompy ciepła
przynosi wymierne efekty ekonomiczne.
7
6
Współczynnik COP
Polski Instalator 9/2010
78
5
4
3
2
15
20
25
30
35
40
45
∆T źródła dolnego i górnego
50
55
60
Rys. 1 Zależność
współczynnika
sprawności energetycznej COP od
róż­nicy temperatury dolnego
i górnego źródła
pompy ciepła
www.polskiinstalator.com.pl
Kolektory słoneczne na dobry
początek
Jednak dla spełnienia wymagań produkcji
c.w.u. o temperaturze 55ºC sama pompa ciepła
nie jest układem wystarczającym. Może natomiast być bardzo dobrym i wysoko wydajnym
układem I-go stopnia przygotowania c.w.u.
Nie jest możliwe również spełnienie wymogu
wygrzewu termicznego całej instalacji c.w.u.
Tu właśnie otwiera się droga dla stosowania
układów skojarzonych pomp ciepła z kolektorami słonecznymi.
Charakterystyka rozkładu promieniowania słonecznego w ciągu roku powoduje, że stosowanie kolektorów słonecznych wprost do wspomagania ogrzewania budynków nie ma uzasadnienia ekonomicznego bez względu na rodzaj
stosowanych kolektorów słonecznych (przede
wszystkim kolektory rurowe).
W standardowych instalacjach słonecznych,
których głównym zadaniem jest wspomaganie produkcji c.w.u., powinno się dobierać
powierzchnię instalacji tak, aby nie przekraczać wartości 90-95% zapotrzebowania energii w okresach letnich. Tak dobrana instalacja z dobrej klasy kolektorami słonecznymi
pozwala na pokrycie w skali roku zapotrzebowania na energię na poziomie dochodzącym
do 60% potrzeb dla produkcji c.w.u.. Oznacza to,
że w okresach przejściowych energii słonecznej
nie będzie wystarczało na pokrycie potrzeb
przygotowania c.w.u., a co dopiero mówić
o wspomaganiu ogrzewania. Rozbudowanie
powierzchni instalacji słonecznej (bez rozwiązania problemu nadprodukcji ciepła w okresie
letnim) tylko po to, aby niewielką część energii
doprowadzić w sezonie grzewczym do systemu
ogrzewania nie jest ekonomicznie uzasadnione i błędne z technicznego punktu widzenia.
Instalacja nadmiernie rozbudowana w stosunku
do możliwości odbioru ciepła będzie przyczyną
cyklicznego przegrzewania czynnika solarnego,
a w efekcie zażelowania glikolu w wymienniku
kolektora. Może to w konsekwencji doprowadzić do unieruchomienia instalacji i trwałego
uszkodzenia kolektorów słonecznych. Zjawisko
to zachodzi przede wszystkim w kolektorach
o harfowej konstrukcji wymiennika, zarówno
płaskich, jak i rurowych (CPC U-type).
Mimo wszystko nie oznacza to, że nie można
wykorzystać kolektorów słonecznych do wspomagania ogrzewania budynku. Należy jedynie
rozwiązać problem nadprodukcji energii cieplnej w okresie letnim. Jednym ze sposobów jest
zastosowanie tzw. letniego odbiornika energii,
np. w postaci basenu kąpielowego. Wówczas
c.w.u. jest zawsze produkowana w priorytecie,
[email protected]
79
Ceny i stawki grupy taryfowej G 11
cena za energię elektryczną czynną całodobową
0,2488 zł/kWh
składnik jakościowy stawki systemowej
0,0077 zł/kWh
składnik opłaty przejściowej
składnik zmienny stawki sieciowej
1,59 zł/m-c
0,1742 zł/kWh
składnik stały stawki sieciowej
2,85 zł/m-c
stawka opłaty abonamentowej
0,98 zł/m-c
a nadmiar ciepła przekazywany jest do basenu.
W okresach przejściowych oraz w słoneczne
zimowe dni nadmiar ten jest przekazywany
do układu grzewczego.
I kolektor, i pompa
Jednak najbardziej efektywnym rozwiązaniem jest połączenie instalacji kolektorów słonecznych z systemem grzewczym opartym
na gruntowej pompie ciepła. W tym przypadku
c.w.u. przygotowywana jest w układzie priorytetowym, a nadmiar ciepła jest przekazywany
wprost do systemu grzewczego lub do regeneracji dolnego źródła ciepła – gruntu. Przy projektowaniu i realizacji takiego układu potrzebne
są duża wiedza i doświadczenie, ponieważ
błędy projektowe i wykonawcze mogą doprowadzić do uszkodzenia dolnego źródła zamiast
do jego regeneracji.
Inżynierowie firmy neon opracowali autorskie
rozwiązanie układu hydraulicznego oraz automatyki sterującej prawidłowym działaniem
takiego układu. Zastosowanie zwiększonej
powierzchni instalacji kolektorów słonecznych
pozwala otrzymać w zasobniku temperaturę
powyżej 70ºC, co jest wystarczające do przeprowadzenia termicznej dezynfekcji układu.
Jednak ze względów bezpieczeństwa oraz spełniania obowiązujących norm w okresie całego
roku, w zasobnikach c.w.u. należy stosować
grzałki elektryczne, które sporadycznie mogą
być używane do okresowego przegrzewu.
Modelowym rozwiązaniem dla standardowego domu o powierzchni 200 m2 o projektowanym obciążeniu cieplnym na poziomie
8 kW, zamieszkałego przez 4-osobową rodzinę,
jest zastosowanie pompy ciepła typu woda-woda z gruntowym wymiennikiem ciepła
i instalacji słonecznej o powierzchni 15 m2.
Wówczas instalacja słoneczna będzie w stanie
pokryć nawet 80% rocznego zapotrzebowania na energię do produkcji c.w.u., tj. około
4300 kWh. Latem część nadmiaru energii po­winna być przekazana do bufora ciepła współpracującego z pompą ciepła, a część skierowana do regeneracji dolnego źródła ciepła.
Otrzymać można w ten sposób bardzo wydajny energetycznie system charakteryzujący się:
− uzyskaniem ok. 40% łącznego rocznego
zapotrzebowania na ciepło (21,5 MWh)
z instalacji kolektorów słonecznych,
− możliwością regeneracji dolnego źródła
ciepła,
− maksymalnym współczynnikiem COP,
− możliwością pasywnego chłodzenia budynku poprzez system grzewczy lub wentylacji
mechanicznej budynku (zysk energetyczny
na poziomie 3500 kWh/rok).
Analizując system pod względem ekonomicznym, założono, że przyjęty do rozważań standardowy dom jest podłączony do sieci energetycznej i rozliczanie następuje w oparciu
o taryfę G11, której ceny i stawki zostały przedstawione w tabeli.
Przy korzystaniu wyłącznie z energii elektrycznej roczny koszt eksploatacji takiego systemu
grzewczego o sprawności 99% wynosi 10 750 zł.
Przy zastosowaniu tylko pompy ciepła, która dla
ogrzewania i produkcji c.w.u. osiąga współczynnik COP = 3, koszt eksploatacji spadnie do 3580
zł. Dzięki zastosowaniu dodatkowo kolektorów
słonecznych współczynnik COP pompy ciepła
wzrośnie do wartości równej 4, a koszt rocznej eksploatacji wyniesie wówczas 1700 zł.
Dodając do tego możliwość chłodzenia budynku otrzymujemy w pełni automatyczny i bardzo
ekonomiczny system zapewnianie komfortu
cieplnego.
Powyższa analiza nie zawiera kosztów związanych z użytkowaniem pomp obiegowych
czy pracą sterowników. Stanowi to nieznaczny
procent kosztów, ale i tu inżynierowie firmy
neon nie pozostali obojętni i opracowali zestaw
solarny neosol+ z układem fotowoltaicznym
do napędu pompy obiegowej 12 V. W ten sposób został stworzony pierwszy całkowicie autonomiczny i samoregulujący się system solarny.
Z przedstawionej analizy ekonomicznej jasno
wynika, że zamiast zastanawiać się, czy wybrać
pompę ciepła czy kolektory słoneczne, należy skupić się na tym, jak połączyć i efektywnie wykorzystać obie technologie. Istotnym
argumentem „za” może być uruchomienie
przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska
i Gospodarki Wodnej programu dofinansowującego w 45% instalacje kolektorów słonecznych
dla klientów indywidualnych. ■
Polski Instalator 9/2010
energie odnawialne